一、通信系统网络架构
1.1、知识脉络图
通信系统网络架构
局域网 LAN
组成设备
计算机
交换机
路由器
架构风格
单核心架构
双核心架构
环型架构
层次局域网架构
广域网 WAN
网络层级
骨干网
分布网
接入网
注: 规模小时仅由骨干网+接入网组成
架构风格
单/双核心广域网
环型广域网
半冗余广域网
对等子域广域网
层次子域广域网
移动通信网
5GS服务机制
需互连DN网络: Internet, IMS, 专用网
UE接入DN模式
透明模式
非透明模式
1.2、局域网 (LAN)
1.2.1、组成
通常由计算机、交换机、路由器等设备组成。
1.2.2、典型架构风格
单核心架构、双核心架构、环型架构、层次局域网架构。
1.2.3、层次化模型
**在"层次局域网架构"中，业界通用的设计模型是 接入层-汇聚层-核心层 三层模型。
1）接入层：用户接入，注重端口密度和成本。
2）汇聚层：策略控制、VLAN路由、安全控制。
3）核心层：高速转发，注重可靠性和吞吐量。
1.2.4、架构选择
双核心 vs 单核心：体现了**高可用性（High Availability）**的设计思想。双核心通常使用 VRRP/HSRP 协议实现冗余，防止单点故障。
1.2.5、拓扑结构
在现代以太网中，星型（物理上）最为常见，环型通常用于工业以太网或通过生成树协议（STP）防止逻辑环路。
1.3、广域网 (WAN)
1.3.1、层级结构
属于多级网络。完整结构为：骨干网 + 分布网 + 接入网。
1.3.2、简化情况
网络规模较小时，可仅由骨干网和接入网组成。
1.3.3、典型架构风格
单核心、双核心、环型、半冗余、对等子域、层次子域广域网。
1.3.4、关键技术
广域网常涉及的技术包括 MPLS VPN、SD-WAN（软件定义广域网，近年热点）、光传输网（OTN）。
1.3.5、半冗余（Partial Mesh）
部分节点之间有直接连接，平衡了成本与可靠性。
1.3.6、全冗余（Full Mesh）
所有节点互联，可靠性最高但成本极高。
1.3.7、性能指标
广域网设计时，架构师需重点关注延迟（Latency） 、带宽（Bandwidth）和丢包率。
1.4、移动通信网
1.4.1、5GS (5G System)
为移动终端用户（UE）提供服务。
1.4.2、互连对象 (DN - Data Network)
包括 Internet、IMS（IP多媒体子系统）、专用网络等。
1.4.3、接入模式
UE通过5GS接入DN存在两种模式：透明模式 和 非透明模式。
1.4.4、UE (User Equipment)
用户终端（手机、物联网设备）。
1.4.5、IMS
负责VoLTE、VoNR等语音和多媒体业务。
1.4.6、透明 vs 非透明模式解析
这通常指IP地址分配和路由方式。
透明模式：ISP/企业网直接向UE分配IP地址，5G网络仅作为透明管道。
非透明模式：运营商网络分配IP，访问外部DN时需要进行NAT（网络地址转换）或隧道封装。
1.4.7、MEC (多接入边缘计算)
5G架构中的核心考点。将计算能力下沉到网络边缘（靠近DN），以降低延迟，适用于自动驾驶、AR/VR等场景。
二、局域网 (LAN) 技术详解
2.1、网络分类体系
802.15
802.11
802.16
3G/4G/5G
网络分类
按地理范围划分
局域网 LAN
城域网 MAN
广域网 WAN
因特网
无线网络分类
无线个人网 WPAN
蓝牙 Bluetooth
无线局域网 WLAN
Wi-Fi
无线城域网 WMAN
WiMax
无线广域网 WWAN
移动通信
2.2、局域网 (LAN)
定义 ：在有限地理范围内，通过传输介质互联的计算机组。
功能：文件管理、应用软件共享、打印机共享、日程安排、邮件通信。
特性 ：封闭型网络，专用性强。
2.3、局域网拓扑结构
环形结构
节点
节点
节点
节点
节点
总线结构
===== 总线 =====
终端
终端
终端
树状结构
根节点
分支节点
分支节点
终端
终端
终端
星状结构
中心节点
终端
终端
终端
终端
2.4、拓扑结构特性对比
| 拓扑结构 | 特点 (Pros) | 缺点 (Cons) | 架构师考点批注 👨🏫 |
|---|---|---|---|
| 星状结构 (Star) | 1. 以中心节点为控制中心。 2. 任意两点通信最多2步。 3. 速度快、结构简单、建网容易、易管理。 | 1. 可靠性低：中心故障导致全网瘫痪（单点故障）。 2. 网络共享能力差（依赖中心）。 | 最常用。现代以太网（Switch）物理上即为星型。解决单点故障通常采用双核心（双汇聚）冗余设计。 |
| 树状结构 (Tree) | 1. 分级的集中式网络。 2. 成本低，无回路。 3. 易扩展，易寻查路径。 | 1. 根节点或链路故障影响整个子树或系统。 | 适用于大型园区网，符合"接入-汇聚-核心"的层次化设计模型。 |
| 总线结构 (Bus) | 1. 所有节点挂接在一条总线上。 2. 共享介质传输。 | 1. 负载能力有限（物理性能决定）。 2. 总线故障影响所有节点。 3. 故障诊断困难。 | 早期同轴电缆以太网使用。涉及 CSMA/CD（载波监听多路访问/冲突检测）协议机制，考试常考冲突域概念。 |
| 环状结构 (Ring) | 1. 封闭环形，单向流动。 2. 节点地位相同。 | 1. 不易扩充。 2. 响应延时长（需轮询）。 3. 任一节点故障导致物理瘫痪。 | 早期令牌环网（Token Ring）。工业控制中常用双环（FDDI）来实现自愈冗余。 |
| 网状结构 (Mesh) | 1. 节点间多条链路互连。 2. 可靠性极高（故障不影响其他）。 | 1. 布线繁琐，成本高。 2. 控制复杂。 | 广域网核心层常用。分为全网状（Full Mesh）和部分网状。涉及路由协议（OSPF/BGP）的路径计算。 |
2.5、IEEE 802 标准族
IEEE 802.3 : 有线局域网（Ethernet 以太网）。考试重点：CSMA/CD 协议，MAC地址（48位）。
IEEE 802.11 : 无线局域网（Wi-Fi）。考试重点：CSMA/CA（避免冲突），WPA2/WPA3 安全协议。
IEEE 802.15: 个人局域网（Bluetooth/ZigBee）。
IEEE 802.1d : 生成树协议（STP）。架构设计重点：在有环路的拓扑中（如冗余星型）防止广播风暴，逻辑上断开环路。
2.6、拓扑选型策略
园区网/办公网 ：物理星型 （接入层交换机连接PC），逻辑树状（接入-汇聚-核心）。理由：易管理、易排错、成本适中。
数据中心/骨干网 ：网状 （Mesh）或胖树（Fat-Tree）。理由：高可用性（HA），多路径负载均衡。
工业控制 ：环型（如工业以太网环网）。理由：线缆简单，通过环网协议（如RRPP）实现毫秒级倒换。
三、5G技术
3.1、核心特征解析
3.1.1、服务化架构
定义：在 5G 核心网 (5GC) 中摒弃了传统的点对点接口，引入了类似微服务的 SBA 架构。
优势 ：实现了网络功能的灵活定制 和按需组合。各个网络功能 (NF) 之间解耦，通过标准接口调用。
3.1.2、网络切片
定义：在单个独立的物理网络基础设施上，逻辑划分出多个虚拟网络（切片）。
优势 ：避免了为每个不同需求的业务建设专用物理网，极大降低了建网成本 和运维成本。
3.2、5G 网络切片原理图
物理基础设施层
逻辑切片层
应用服务层
VR/AR 高清视频
自动驾驶/工业控制
智能抄表/物联网
切片A: eMBB 增强移动宽带
切片B: uRLLC 低时延高可靠
切片C: mMTC 海量机器通信
计算资源池
存储资源池
网络资源池
3.3、网络切片技术三大应用场景
3.3.1、eMBB
Enhanced Mobile Broadband，增强移动宽带
特点：超大带宽、高速率。
场景：3D/超高清视频、VR/AR。
架构要求：高吞吐量设计。
3.3.2、uRLLC
Ultra-Reliable Low Latency Communications，超高可靠低时延通信
特点：毫秒级时延、99.999% 可靠性。
场景：无人驾驶、远程手术、工业自动化。
架构要求：MEC (边缘计算) 下沉，缩短物理距离。
3.3.3、mMTC
Massive Machine Type Communications，海量机器类通信
特点：连接数密度大、低功耗。
场景：智慧城市、智能家居、环境监测。
架构要求：支持海量并发连接管理。
3.4、SBA 架构的技术实现 (微服务化)
5G 核心网 (5GC) 的 SBA 架构与传统的 4G EPC 架构有本质区别，它体现了 Cloud Native (云原生) 的思想：
控制面与用户面分离 (CUPS)：控制面 (CP) 负责逻辑，用户面 (UP) 负责流量转发，使得网关可以灵活部署在边缘。
HTTP/2 + JSON：5G 核心网内部各功能网元 (NF) 之间的接口协议，改为了互联网通用的 HTTP/2 协议，取代了传统的 Diameter 协议，极大提升了互操作性。
NRF (Network Repository Function)：网络仓储功能，充当"服务注册与发现中心"的角色（类似于微服务架构中的 Eureka/Consul）。
3.5、关键技术支撑
SDN (软件定义网络)：实现流量的灵活调度，是网络切片的控制基础。
NFV (网络功能虚拟化)：将专用硬件设备软化，运行在通用 x86 服务器上，是实现 SBA 的基础。
四、软件定义网络 (SDN) 架构
4.1、SDN 架构图
数据平面 Data Plane
控制平面 Control Plane
应用平面 Application Plane
北向接口 Northbound API
南向接口 Southbound API
南向接口 Southbound API
南向接口 Southbound API
SDN 网络应用
SDN 控制器
通用硬件/交换机
通用硬件/交换机
通用硬件/交换机
4.2、定义
SDN 是一种新型网络创新架构。
4.3、核心思想
控制面与数据面分离 (Decoupling of Control and Data Planes)。
传统网络：路由器/交换机既负责转发（数据面），又负责计算路由路径（控制面），紧密耦合。
SDN网络：底层硬件只负责"傻瓜式"转发，大脑被抽取出来集中管理。
目的：实现网络流量的灵活控制。
4.4、三大平面
4.4.1、应用平面
运行各种网络应用（如负载均衡、防火墙、流量监控）。
用户无需关心底层细节，通过编程即可部署业务。
4.4.2、控制平面
网络的"大脑"。
包含 SDN 控制器，掌握全局网络拓扑和状态信息。
负责计算路径、下发流表（Flow Table）。
4.4.3、数据平面
由交换机、路由器等通用硬件组成。
单纯负责数据的转发，不进行复杂的路由计算。
这也催生了"白盒交换机"的概念（硬件通用化，不再依赖特定厂商的专有设备）。
4.5、关键接口协议
4.5.1、南向接口
位置 ：控制器 ↔\leftrightarrow↔ 数据平面硬件。
核心协议 ：OpenFlow。这是 SDN 最著名的标准协议，用于控制器向交换机下发"流表"。
考点：如果题目问"SDN中控制器与交换机交互的标准协议是什么"，首选 OpenFlow。
4.5.2、北向接口
位置 ：应用平面 ↔\leftrightarrow↔ 控制器。
特点 ：目前尚未像南向接口那样完全标准化，通常采用 RESTful API。
作用：让上层业务（如云平台 OpenStack）告诉控制器"我需要什么样的网络服务"。
4.6、SDN 的优缺点分析
4.6.1、优势
全局视野：控制器拥有全局拓扑，能计算出真正的最优路径（传统路由协议通常只有局部视野）。
灵活性：修改网络策略只需升级软件，无需更换硬件。
自动化：便于与云计算平台集成，实现网络资源的自动编排。
4.6.2、挑战
单点故障：控制器是"大脑"，如果宕机全网瘫痪。（解决方案：集群化、主备倒换）。
性能瓶颈：所有控制信令都汇聚到控制器，对控制器性能要求极高。
4.7、SDN 与 NFV 的关系
SDN (软件定义网络) ：侧重于网络控制能力的集中化（指挥权上移）。
NFV (网络功能虚拟化) ：侧重于网络设备形态的软件化 （专用硬件 →\rightarrow→ 通用服务器+软件）。
关系：两者常互补使用，但概念不同。
五、存储网络架构与 RAID 技术
5.1、架构拓扑图
存储区域网络 SAN
服务器
光纤通道交换机 FC Switch
存储阵列
存储阵列
网络附加存储 NAS
服务器
IP 网络 / 以太网
NAS 存储设备
客户端
直连式存储 DAS
服务器
专用线缆/SCSI
存储设备
5.2、核心内容与对比
5.2.1、DAS (Direct Attached Storage)
直连式存储。服务器直接连接存储设备。
5.2.2、NAS (Network Attached Storage)
基于以太网连接。
特点：注重易用性、易管理性、可扩展性，TCO（总拥有成本）更低。
本质：文件级共享。
5.2.3、SAN (Storage Area Network)
使用以太网 或光纤通道（Fibre Channel）。
特点：注重高性能 和低延迟。
本质：块级存储。
5.1.4、对比总结
| 特性 | NAS (网络附加存储) | FC-SAN (光纤存储网) | IP-SAN (iSCSI) |
|---|---|---|---|
| 传输协议 | TCP/IP (NFS, CIFS/SMB) | FCP (Fibre Channel Protocol) | iSCSI (SCSI over IP) |
| 数据传输级 | 文件级 (File Level) | 块级 (Block Level) | 块级 (Block Level) |
| 性能 | 中等 (受限于以太网开销) | 极高 (专用光纤网) | 较高 (依赖网络带宽) |
| 成本 | 低 | 极高 (需专用HBA卡、光纤交换机) | 中等 (利用现有以太网设施) |
| 适用场景 | 文件共享、办公自动化、非结构化数据 | 关键数据库、高并发交易系统 | 预算有限的数据库应用、容灾备份 |
5.3、磁盘阵列技术 (RAID)
5.3.1、RAID 结构逻辑图
RAID 5: 分布式校验
数据A1 + 校验Bp
数据B1 + 校验Cp
数据C1 + 校验Ap
数据流
异或运算 & 分发
磁盘 0
磁盘 1
磁盘 2
RAID 1: 镜像
Block 1,2,3
Block 1,2,3
数据流
复制处理
磁盘 0
磁盘 1: 镜像
RAID 0: 条带化
Block 1,3,5
Block 2,4,6
数据流
分块处理
磁盘 0
磁盘 1
5.3.2、RAID 级别详解
| RAID 级别 | 关键技术 | 冗余性 | 磁盘利用率 (N为磁盘数) | 允许损坏盘数 | 架构师考点批注 👨🏫 |
|---|---|---|---|---|---|
| RAID 0 | 条带化 (Striping) | 无 | 100%100\%100% | 000 | 速度最快，数据一旦丢失无法恢复。仅用于非关键数据（如缓存）。 |
| RAID 1 | 镜像 (Mirroring) | 高 | 50%50\%50% | 111 (每对中坏1个) | 成本最高，写入速度受限于慢盘，读取速度快。适用于系统盘/日志盘。 |
| RAID 3 | 奇偶校验并行传送 | 有 | (N−1)/N(N-1)/N(N−1)/N | 111 | 有固定的校验盘，容易成为热点瓶颈（现已少用）。 |
| RAID 5 | 分布式奇偶校验 | 有 | (N−1)/N(N-1)/N(N−1)/N | 111 | 校验信息分散在所有盘。读性能好，写性能因需计算校验（Write Penalty）略差。最主流性价比选择。 |
| RAID 6 | 双重奇偶校验 | 极高 | (N−2)/N(N-2)/N(N−2)/N | 2 | 即使坏两块盘也能恢复。用于数据价值极高且盘数较多的场景。 |
| RAID 10 | 先镜像后条带 | 高 | 50%50\%50% | 理论上 N/2N/2N/2 | 结合了 R0 的速度和 R1 的安全。数据库主库首选方案。 |